列車轉向架側梁焊接應力場數值模擬

徐榮政，王 浩

（河南工業職業技術學院，河南 南陽 473009）

0 前言

列車轉向架作為列車的重要部件，由于要支撐車體、電機等零部件，在列車運動和轉動時會承受橫向、垂向和縱向等各種復雜的力，其焊接質量的好壞決定著列車的安全性和穩定性[1]。由于在焊接過程中的溫度場是非常不均勻和不穩定的，會形成熱變形和塑性變形，不可避免地導致焊后產生殘余應力，殘余應力的存在會使轉向架產生裂紋甚至開裂，從而造成安全隱患。采用數值模擬技術預測焊接過程的應力場分布能夠優化焊接工藝和提高焊接質量，意義重大。本研究利用ANSYS有限元軟件建立了列車轉向架側梁的有限元模型，對箱形結構梁T型接頭焊接過程中的動態應力和焊后殘余應力進行數值模擬，實現了對實際復雜工程焊接結構的模擬，為結構的優化及焊接工藝的改進提供依據。

1 有限元模型的建立

1.1 材料參數選擇及模型的建立

列車轉向架的側梁由箱形結構梁焊接而成，由上蓋板、外立板、內立板、下蓋板組成，上下蓋板與內外立板之間靠縱向長角焊縫連接。焊接是一個熱源移動并伴隨著快速加熱和冷卻的過程[2]，列車轉向架材料采用P335NL1鋼，其導熱系數、比熱容、線脹系數等均是溫度的函數，圖1為利用插值函數獲得的轉向架材料彈性模量和屈服強度的溫度變化曲線，在焊接過程中必須考慮這些性能參數隨溫度的變化情況，否則會造成很大的計算誤差。轉向架材料在高溫下的物理性能和力學性能參數見表1，對于高溫下缺失的熱物性參數通過ANSYS的線性差值獲得，同時為了簡化計算，使焊縫與母材具有相同的材料屬性。

表1 轉向架材料P335NL1鋼在高溫下的物理性能和力學性能參數

圖1 轉向架材料彈性模量和屈服強度的溫度變化曲線

1.2 接頭模型及應力場控制方程

單V型坡口的接頭形式用于轉向架側梁的上、下蓋板與內、外立板之間的焊接，在側梁上采用多道焊接方式共四道焊縫，每條焊縫采用三層焊接MAG焊接工藝，這樣四道焊縫共焊接12道，第一層打底焊采用10 mm/s的焊接速度，第二層采用焊接速度為8 mm/s填充焊工藝，第三層采用焊接速度為6 mm/s蓋面焊的焊接工藝，列車轉向架側梁上的四條主焊縫分布如圖2所示。采用的焊接順序為：第一層打底焊[C-F-G-H]，然后冷卻300 s；第二層填充焊[B-E-H-K]，然后冷卻300 s；第三層蓋面焊[AD-I-L]，最后冷卻3 000 s到室溫。

圖2 列車轉向架側梁上的焊縫分布示意

焊接過程中材料的屈服服從von-Mises屈服準則，塑性區符合流變法則，其應力場的平衡方程為[3]

式中 ｛C｝為與溫度有關的向量；[D]為彈性或塑性矩陣。

焊接結構中任意單元的平衡方程為

式中 {dF}e為有限元模型中節點上的受力變化量；{dR}e為受溫度影響的單元開始應變的等效節點變化量；[K]e為單元的剛度矩陣；{dδ}e為節點位移增量。

2 應力場的數值模擬

采用間接耦合法對焊接過程進行數值模擬[4]，即先進行焊接溫度場的計算，然后讀取每一步的溫度場結果作為體載荷進行應力場計算分析，選擇SOLID70單元進行焊接溫度場的計算分析，設置側梁的初始溫度為20℃，在上、下蓋板和前、后立板的外表面設置對接邊界條件，熱對流系數HC設為100 W/(m2·℃)，得到溫度場準確的模擬結果后再進行焊接應力場的計算分析，在應力場計算中選擇SOLID185單元，力學邊界條件根據實際焊接工藝對上、下蓋板和前、后立板的四個角點施加全約束。使用單元生死技術模擬焊縫單元的依次生成[5]，即在前處理中先將所有的焊縫單元殺死，然后隨著焊接熱源的加載而逐個激活。

焊接順序為：第一層打底焊[C-F-G-H]，然后冷卻300 s；第二層填充焊[B-K-H-E]，與第一層的焊接順序相反，然后冷卻300 s；第三層蓋面焊[AD-I-L]，最后冷卻3 000 s到室溫。其中第一層打底焊的焊接速度為8 mm/s，第二層填充焊的焊接速度為6.5 mm/s，第三層蓋面焊的焊接速度為5.2 mm/s。按照上述焊接工藝和焊接順序編寫了控制側梁焊接應力場分析的APDL語言，并在ANSYS軟件中對轉向架側梁的焊接過程進行了應力場的計算。

圖3為焊接過程中和冷卻后的應力場分布云圖。圖3a為側梁上四條焊縫的第一層焊接完成并冷卻300 s后的應力場分布云圖；圖3b為側梁上四條焊縫的第二層焊接完成并冷卻300 s后的應力場分布云圖；圖3c為側梁上四條焊縫全部焊完并冷卻后的等效殘余應力分布云圖；圖3d為側梁上四條焊縫全部焊完并冷卻后的x軸方向的殘余應力分布云圖；圖3e為側梁上四條焊縫全部焊完并冷卻后的y軸方向殘余應力分布云圖；圖3f為側梁上四條焊縫全部焊接完成并冷卻后的z軸方向殘余應力分布云圖。

圖3 焊接過程中的應力分布云圖

沿著焊縫A定義路徑上的殘余應力及焊接約束位置的應力隨時間的變化情況如圖4所示。圖4a～圖4d為沿著上蓋板與前立板連接處的第三層焊縫A定義路徑上的等效殘余應力、x軸方向殘余應力、y軸方向殘余應力、z軸方向殘余應力的分布情況；圖4e為在上蓋板與前立板焊縫的焊趾處第7 129號結點的應力隨時間的變化情況。

由應力場的計算結果可以看出：

（1）第一層焊完并冷卻后最大等效殘余應力為436 MPa，位于上蓋板右前方的角點約束處，第二層焊完并冷卻后最大等效殘余應力為391 MPa，位于上蓋板右后方的角點約束處，三層全部焊完并冷卻后最大等效殘余應力為386 MPa，位于下蓋板右后方的角點約束處，殘余應力的存在范圍分布在整個側梁構件上，靠近焊縫處殘余應力較大，遠離焊縫的位置殘余應力較小。

（2）靠近焊縫的縱向應力為拉應力，最大值為285 MPa，而在遠離焊縫的側梁中間處為壓應力，并在側梁上沿焊接方向呈帶條狀分布；沿著焊縫方向定義路徑上的y軸方向的殘余應力，先由拉應力轉變為壓應力，再轉變為拉應力，后又轉變為壓應力，其應力結構成對稱分布形式，最大的壓應力為139MPa；路徑上z軸方向的殘余應力較小。計算結果與理論分布相一致，說明了計算的準確度。

（3）側梁上四條焊縫不同層間的焊接采用了不同的焊接順序，隨著焊接層數的增加其殘余應力逐漸減小，說明選擇合理的焊接順序能夠降低焊接結構中的殘余應力。

圖4 路徑上殘余應力及焊砋處應力隨時間變化情況

（4）焊趾處的應力隨時間變化的圖形上有12個波峰，分別為焊接12道焊縫時對焊趾處的影響，其最大應力已經遠遠超過材料的屈服強度，并在冷卻的過程中應力逐漸減小。

圖5 轉向架焊接變形分布

2.3 焊接變形結果

轉向架焊后的x方向、y方向、z方向和總體變形分布如圖5所示。

由圖5可知，轉向架的兩側沿著x方向分別發生了3.0 mm和3.4 mm的伸長，轉向架的中間沿著y方向發生了12.3 mm的變形，轉向架左側沿著z方向發生了4.4 mm的變形，x方向和z方向變形比y方向變形小了一個數量，轉向架的主要變形為沿著y方向的向上撓曲變形，對于總體變形來說，轉向架的中部發生了12.7 mm的變形量。

3 結論

（1）側梁上四條焊縫不同層間的焊接采用不同的焊接順序，其焊后殘余應力是不同的，隨著焊接層數的增加其殘余應力逐漸減小，說明選擇合理的焊接順序的能夠降低焊接結構中的殘余應力。

（2）焊趾處的應力隨時間變化的圖形上有12個波峰，分別為焊接12道焊縫時對焊趾處的影響，其最大應力已經遠遠超過材料的屈服強度，并在冷卻的過程中應力逐漸減小。

（3）轉向架在焊后發生了一定的撓曲變形，主要變形為沿著y方向的變形，最大變形量12.3mm，x方向和z方向的變形比y方向的變形小了一個數量級。

本研究建立列車轉向架側梁焊接模型，為列車轉向架側梁的焊接應力場模擬和焊接工藝控制提供了理論依據，便于指導實際的焊接生產，以達到調整或者控制焊接殘余應力與變形的目的，保證結構的使用性能。

[1]劉煥軍.轉向架側梁焊接殘余應力與變形的研究[D].成都：西南交通大學，2009.

[2]朱學敏，王宗彥，吳淑芳,等.薄板焊接殘余應力和變形的數值模擬[J].熱加工工藝，2012，41（21）：159-161.

[3]朱加雷，焦向東，俞建榮，等.基于ANSYS的TIG焊接電弧數值模擬研究[J].電焊機，2009，39（6）：26-29.

[4]邱葭菲，蔡郴英.鑄件加熱減應區法焊接修復工藝及應用[J].鑄造技術，2011（11）：1618-1620.

[5]呂一仕.地鐵焊接構架殘余應力和焊接變形研究[D].天津：天津大學，2011.